Быстроходные и виброустойчивые подшипники

(60)

Быстроходные и виброустойчивые подшипники

У подшипников, работающих при высоких частотах вращения (валы турбин 6000—10000 об/мин, шпиндели внутришлифовальных станков 10000—30000, валы гироскопов 20000—50000, валы центрифуг до 150000 об/мин), характеристика режима достигает λ = (51—85)·10–7 число So = 10—50. Вследствие малого эксцентриситета вала работа таких подшипников неустойчива; коэффициент трения имеет очень большое значение (f = 0,05—0,10).

При конструировании быстроходных подшипников возникают две основные задачи: 1) предотвращение вибраций вала и связанных с ними кавитационных процессов; 2) предупреждение перегрева подшипника, обусловленного большим тепловыделением.

Задачи конструирования быстроходных подшипников во многом противоположны задачам конструирования высоконагруженных, сравнительно низкоскоростных подшипников (λ = (8,5—17)·10–8; So < 1), где обычно приходится добиваться повышения несущей способности подшипника и увеличения минимальной толщины масляного слоя hmin.

При конструировании высокоскоростных подшипников основной задачей является уменьшение избыточной величины hmin до получения необходимых для безвибрационной работы значений ξ < 0,3—0,4.

В подшипниках, нагруженных силой постоянного направления, безвибрационной работы можно достичь рациональным, направленным на уменьшение So и hmin выбором режимных и конструктивных параметров. Целесообразно применять масла малой вязкости, уменьшать диаметр подшипника (повышение k), увеличивать относительный зазор ψ и применять малые значения l/d.

Пусть характеристика режима λ = 85·10–7. По графику (см. рис. 669) находим, что при l/d = 1 безвибрационную работу (ξ = 0,3) обеспечивает относительный зазор ψ = 0,011. Это чрезмерно большая величина (для d = 100 мм диаметральный зазор Δ = 1,1 мм). Подшипники с таким зазором не могут удовлетворительно работать на режимах пуска и выбега. Коэффициент трения согласно рис. 672 f = 0,22.

Уменьшим l/d до 0,3. Учитывая, что при неизменном диаметре удельная нагрузка k повышается, а величина λ уменьшается в 3,33 раза (λ = 25,5·10–7), и пренебрегая тем, что у подшипников с l/d = 0,3 безвибрационное значение ξ несколько повышено (см. рис. 667), получаем согласно рис. 669 значение ψ = 0,0028 (для d = 100 мм Δ = 0,28 мм). Толщина масляного слоя hmin = 0,5·103· 0,0028·100·0,3 = 42 мкм. Коэффициент трения f = 0,018.

При уменьшении диаметра вала до 50 мм и l/d = 0,3 параметры подшипника принимают удовлетворительные значения (λ = 12,7·10–7; ψ = 0,002; Δ = 0,1 мм; hmin = 15 мкм; f = 0,013).

Другие способы придания виброустойчивости приведены в табл. 35.

Способы придания виброустойчивости подшипникам

Способы придания виброустойчивости подшипникам

Способы придания виброустойчивости подшипникам

Снижения несущей способности (с соответствующим уменьшением относительного зазора) достигают, изготовляя на рабочей или тыльной стороне подшипника полукольцевые (1, 2) или кольцевые (3, 4) канавки, сообщающие зоны высокого и низкого давления, а также продольные канавки в нагруженной зоне (5, 6), облегчающие истечение масла из этой зоны и ограничивающие дугу несущей поверхности.

Температуру подшипника снижают, применяя плавающие втулки (7), а у неподвижных втулок — увеличивая циркуляцию масла путем повышения давления подачи и введения в ненагруженной зоне продольных выборок, сквозных (8, a) или заканчивающихся у торцов (8, б). Выборки большой протяженности не только увеличивают истечение масла, но и уменьшают трение (приблизительно пропорционально отношению дуги выборки к окружности подшипника).

Выборки 9 с углом 270°, предупреждая подъем вала (за граничную точку на полукруге Гюмбеля) (см. рис. 668), обеспечивают работу подшипника в устойчивой области.

При нагрузке переменного направления большие зазоры недопустимы. Здесь безвибрационную работу обеспечивают, выполняя поверхность подшипника в виде отдельных несущих площадок, разделенных выборками и расположенных с небольшим радиальным зазором относительно вала.

Простейшие конструкции такого типа — подшипники с кольцевыми (10) и вафельными (11) несущими канавками. Целесообразнее подшипники со спиральными (12), шевронными (13) и ромбическими (14) канавками. Особую разновидность представляют подшипники с ромбическими накатанными углублениями (15), сквозными, расположенными в шахматном порядке отверстиями (16), и пористые (17).

Наиболее широко применяют многоклиновые подшипники, основанные на принципе гидродинамического ограничения перемещений вала. Несущие поверхности таких подшипников выполняют в виде наклонных площадок (19) с зазором (в точках наибольшего сближения вала с подшипником), меньшим, чем в обычных цилиндрических подшипниках (18). Давления развиваются одновременно на всех площадках, но на площадках, противоположных направлению нагрузки, давления больше (20). Суммарная нагружаемость подшипника равна разности давлений на нагруженной и ненагруженной стороне подшипника. Если нагрузка меняет направление, то на противолежащих по отношению к нагрузке площадках возникают повышенные давления, противодействующие перемещению вала и гасящие его колебания. Перемещения вала тем меньше, чем выше частота вращения и чем меньше местные относительные зазоры.

Маслоподводящие канавки между клиновыми поверхностями делают сквозными или несколько не доводят до торцов подшипника. Наилучший способ подвода масла — по центральной кольцевой канавке (21, 22). При сквозных выемках возможен подвод масла с торца подшипника.

В подшипниках со ступенчатой несущей поверхностью (23) несущая сила создается в результате нагнетания масла в выемки и дросселирования потока в узких зазорах h0 между валом и подшипником. Глубина выемок h равна нескольким сотым миллиметра. Конструкция реверсивная.

Двухклиновые подшипники с «лимонными» (24), эллиптическими (25) или овальными (26) отверстиями применяют редко и только при нагрузке постоянного направления, так как они гасят колебания только в направлении малой оси отверстия и, наоборот, способствуют возникновению колебаний вала в направлении большой оси.

При нагрузке переменного направления требуется не менее трех клиньев. Втулки с трехгранным отверстием (27) применяют в неразъемных подшипниках. Подшипники с четырехгранной расточкой (28) можно применять в неразъемных и разъемных подшипниках. Конструкция (29) из трех втулок, средняя из которых имеет эллиптическую расточку одного направления, а крайние противоположного направления, допускает регулирование расположения эллипсов путем поворота среднего кольца. Конструкции 27—29 реверсивные.

Эллиптические двухклиновые подшипники могут быть обработаны на обычном расточном станке при наклоне заготовки относительно оси вращения шпинделя на угол α, определяемый из отношения

Bystrochod podsh 4

где Bystrochod podsh 5 и Bystrochod podsh 6 — соответственно минимальный и максимальный относительные заторы; d — диаметр вала (см. эск. 25).

При обычных значениях ψmaxmin = 2 и ψmin = 0,001

Bystrochod podsh 7

Повторяя процесс с заготовкой, повернутой на 90° вокруг ее оси, получают четырехклиновую расточку.

Многогранные отверстия получают с помощью копирного растачивания или протягивания, а в неразъемных подшипниках — посредством нормированной пластической деформации втулки с последующей обработкой наружной поверхности на цилиндр.

Применяют также метод упругой деформации. Втулки с тремя или четырьмя гребешками, обработанными на конус, устанавливают с натягом в коническое отверстие корпуса. При натяге втулка деформируется, принимая соответственно трехгранную (30) и четырехгранную (31) формы. Степень клиновидности можно регулировать, перемещая втулки в корпусе.

Другой способ основан на упругой деформации стенок втулки под действием давлений в масляном слое. В отверстие корпуса плотно устанавливают втулки с выступами (32, 33). Неопертые участки втулки под действием гидродинамических сил прогибаются наружу; нагрузку преимущественно несут опертые участки. Степень клиновидности несущих поверхностей в этих конструкциях определяется податливостью стенок втулки и гидродинамическими силами.

Дальнейшим развитием этого принципа являются лепестковые подшипники (34—35), у которых несущими поверхностями являются площадки (а) (лепестки), вырезанные в теле втулки. Под действием гидродинамических сил лепестки отгибаются наружу, создавая масляные клинья.

Втулки устанавливают в корпусах с радиальным зазором, обеспечивающим прогиб лепестков. Возможна плавающая установка.

В сегментных подшипниках (36, 38) несущими поверхностями являются шарнирно установленные в корпусе сегментные вкладыши. Благодаря шарнирной установке сегменты автоматически приспосабливаются к изменениям нагрузки. При увеличении нагрузки передняя (по направлению движения вала) кромка отходит к периферии, а задняя приближается к валу, вследствие чего зазор в этой точке уменьшается, и несущая способность сегмента возрастает.

Как и все многоклиновые подшипники, сегментные подшипники обеспечивают виброустойчивость только при малом относительном зазоре (на участках расположения шарниров).

Гидродинамические характеристики подшипника определяются расположением шарниров и сохраняются при всех колебаниях эксплуатационного режима. Несущая способность максимальна, а коэффициент трения минимален, если шарнир установлен на расстоянии l’ = 0,58·l (где l — длина сегмента) от передней (по направлению движения) кромки сегмента (36).

В реверсивных подшипниках шарниры устанавливают в центре сегментов (37), что ухудшает их характеристики, или, предпочтительнее, в выемках корпуса (38) с таким расчетом, чтобы сегменты при перемене направления вращения перемещались под действием сил трения в наиболее выгодное положение. Величину зазоров (и положение вала в подшипнике) можно регулировать с помощью винтов 1.

Несмотря на высокие антивибрационные характеристики, сегментные подшипники применяют редко. Изготовление их гораздо сложнее, чем многоклиновых подшипников с неподвижными несущими поверхностями. Вследствие вихреобразования в полостях между сегментами суммарное тепловыделение в них значительно больше, чем в подшипниках с плавными переходами между несущими поверхностями.

Связанные материалы